真正學會讀兩種精密量具:把游標尺夾住圓棒、伸進圓管、插進孔裡,找出對齊的副尺刻線,自己輸入讀數;轉動螺旋測微器夾住細線或薄片,估讀到 0.001 mm。打開「零點誤差」,練習修正系統誤差。再對同一根圓棒反覆測量,看直方圖長出來,算出平均值、標準差與不確定度,分清楚「精密」和「準確」。
試試看:按「夾緊」,在放大鏡找出對齊的副尺刻線,輸入讀數再按「核對」。
長條:落在各區間的讀數個數;曲線:平均值與標準差相同的常態分布;虛線:真值(只有模擬知道)。四個靶說明精密與準確的意思,亮起來的那個符合你的數據。
游標尺(精度 0.05 mm 或 0.02 mm)、螺旋測微器(最小刻度 0.01 mm,估讀到 0.001 mm),以及待測物:圓棒、圓管、有孔的木塊、細金屬線、薄片、鋼珠。
游標尺的原理。主尺每格 1 mm;副尺有 \(N\) 格,總長卻只有 \(N-1\) mm,所以副尺每格比主尺每格短 \(c = 1/N\) mm,這就是精度。副尺 0 刻線超過主尺刻線 \(M\) 剛好 \(k\,c\) 時,副尺第 \(k\) 條刻線恰好和主尺刻線重合,兩旁的刻線依序差 \(c\)、\(2c\)……:
螺旋測微器。套管轉一圈,測軸沿螺紋前進一個螺距 0.5 mm;套管一圈刻 50 格,每格就是 0.01 mm。螺旋把很小的移動放大成很大的轉動,還可以再估讀十分之一格:
零點誤差。合攏時讀數不是 0,每一次讀數都會偏同樣的量 \(e\)。這是系統誤差:取平均消不掉,但可以修正:\(L = R - e\)。
隨機誤差與系統誤差、精密度與準確度。隨機誤差(用力稍有不同、視線斜了、物體不是正圓)讓讀數忽大忽小;系統誤差讓讀數都往同一邊偏。精密是讀數彼此很接近(標準差小);準確是平均值接近真值。多量幾次能對付隨機誤差,對系統誤差卻沒有用。
平均值與標準差。\(n\) 次讀數的平均值是最佳估計,樣本標準差 \(s\) 表示單次讀數的分散程度:
不確定度(ISO-GUM)。\(n\) 次的平均值比單次讀數穩定得多:A 類不確定度 \(u_A = s/\sqrt{n}\)。儀器本身還有由最小刻度 \(d\) 估計的 B 類不確定度(假設一格之內每個值的機會相同)。兩者像直角三角形的兩股一樣組合:
\(\Delta X\) 以無條件進位取至多 2 位有效數字(第 3 位是 0 就直接捨去:0.1417 → 0.15,0.1407 → 0.14),再把平均值四捨五入到與 \(\Delta X\) 末位一致,寫成 \(X \pm \Delta X\)。例:單擺週期量 4 次 2.10、2.08、2.09、2.04 s,\(\bar{x} = 2.0775\) s、\(s = 0.0263\) s、\(u_A = 0.0131\) s,結果是 \(2.078 \pm 0.014\) s。
有效數字。非零的數字都是;非零數字之間的 0 是;前綴的 0 不是;小數點後的後綴 0 是。所以 23.40 mm(4 位)比 23.4 mm(3 位)多說了一件事:百分位也量了,而且是 0。
① 游標尺。合攏夾爪讀出零點。輕輕夾住待測物:圓棒放在下方外測爪之間、圓管套在上方內測爪、深度桿伸進孔底。由主尺讀 \(M\)、找出對齊的副尺刻線 \(k\),寫出 \(R = M + kc\)(到 0.01 mm)並修正零點。
② 螺旋測微器。用棘輪讓測軸碰到測砧,讀出零點。放入細線或薄片,轉套管到快碰到,再用棘輪轉到「喀喀」聲。讀套筒(別漏了半毫米刻線)、讀套管並估讀一位,最後修正零點。
③ 多次測量。對同一根圓棒量很多次,求 \(\bar{x}\)、\(s\)、\(u_A\)、\(u_B\) 與 \(\Delta X\),寫出測量結果,比較三種儀器。